CN117867551A - 一种具有均匀流场效果的碱性电解槽双极板 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有均匀流场效果的碱性电解槽双极板，涉及电解水制氢设备技术领域，包括双极板本体，双极板本体外设置有极板框，极板框上设置有氢气出口、氧气出口、至少一个碱液入口和至少一个碱液出口，双极板本体中心位置处设置有中间极板，中间极板上均匀交错设置有多个凹单元和多个凸单元，凹单元和凸单元均呈水滴形或均呈椭圆形，极板框和双极板本体之间形成流动室，碱液入口和流动室之间通过导流通道相连通。本发明提供的碱性电解槽双极板能够增强对流动的扰动程度，减小流道内各处的电解液浓度差，并有效改善流场均匀性。

Description

一种具有均匀流场效果的碱性电解槽双极板

技术领域

本发明涉及电解水制氢设备技术领域，特别是涉及一种具有均匀流场效果的碱性电解槽双极板。

背景技术

碱性水电解是当今技术最成熟的电解水制氢技术之一，碱性电解槽由极板，电极，隔膜，电解液组成，具有结构原理简单、保养维护容易、成本相对较低等优点，在电解水制氢领域，碱性电解槽在全球占有最大的市场份额。

碱水制氢电解槽目前普遍采用的双极压滤式电解槽，压滤式电解槽的流道设计的优劣直接影响电解槽的电流密度和电解性能，目前常见的极板主要为平板状支撑网结构，极板中的凹凸结构一般为球状乳突结构，该设计初衷是为了增强电解液流动的均匀性，但是由于球形凹凸结构对电解液横向分布能力的不足，造成了电解液流动均匀性差，并在双极板边缘位置造成“死区”现象，使得电解槽电解能耗高而效率低下。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有均匀流场效果的碱性电解槽双极板，以解决上述现有技术存在的问题，能够增强对流动的扰动程度，减小流道内各处的电解液浓度差，并有效改善流场均匀性。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种具有均匀流场效果的碱性电解槽双极板，包括双极板本体，所述双极板本体外设置有极板框，所述极板框上设置有氢气出口、氧气出口、至少一个碱液入口和至少一个碱液出口，所述双极板本体中心位置处设置有中间极板，所述中间极板上均匀交错设置有多个凹单元和多个凸单元，所述凹单元和所述凸单元均呈水滴形或均呈椭圆形，所述极板框和所述双极板本体之间形成流动室，所述碱液入口和所述流动室之间通过导流通道相连通。

优选的，所述凹单元和所述凸单元的长对称轴与碱液流动方向呈30～60°设置。

优选的，所述导流通道包括对称设置的两对导流槽，所述导流槽倾斜设置，两对所述导流槽自靠近所述碱液入口的一端向另一端延伸逐渐相互远离。

优选的，各所述导流槽与碱液流动方向均呈30～60°设置。

优选的，各所述导流槽宽度均为5～60mm，高度为3～50mm。

优选的，所述导流槽包括两对槽口。

优选的，同一行任意相邻的两个凹单元或同一行任意相邻的两个凸单元之间中心间距为10～75mm。

优选的，所述双极板本体呈圆形，所述双极板本体直径为200～2200mm。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

(1)本发明提供的具有均匀流场效果的碱性电解槽双极板，凹单元和凸单元能够呈椭圆形，相比于球形乳突结构，椭圆形凹凸结构体积更小，可以节约材料；碱液流经线性排布的凸起结构，椭圆形的两端可以对碱液进行适当的分流和聚流，提高了电流密度，凹凸结构呈45°倾斜排布，导流效果更加明显，流场分布更均匀；

(2)本发明提供的具有均匀流场效果的碱性电解槽双极板，凹单元和凸单元能够呈水滴形，相比较传统的球形乳突凹凸单元，水滴形凹凸单元两端可以对碱液进行一定的分流，具有更好的导流效果，碱液分布更加均匀，提高电流密度的同时，降低了电解能耗，提高了电解效率；

(3)本发明提供的具有均匀流场效果的碱性电解槽双极板，碱液入口通过倾斜设置的导流槽与流动室相连通，能够使电解液分散进入流场，使得双极板边缘位置碱液流速慢的现象得以改善，避免了流速过低引起的局部温度升高，有效地解决了双极板两侧出现的“死区”现象，进一步改善了上述原因引起的电极寿命缩短，同时提高了电解效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的具有均匀流场效果的碱性电解槽双极板的一种结构示意图；

图2是实施例1的x-y平面流速状况图；

图3是实施例1和对比例1的流场均匀系数对比图；

图4是实施例1和对比例1的双极板中心流速对比图；

图5是本发明的具有均匀流场效果的碱性电解槽双极板的另一种结构示意图；

图6是实施例2的x-y平面流速状况图；

图7是实施例2和对比例1的流场均匀系数对比图；

图8是实施例2和对比例1的双极板中心位置流速变化对比图；

图中：1-碱液入口；2-导流槽；3-中间极板；4-凹单元；5-凸单元；6-极板框；7-氢气出口；8-碱液出口；9-氧气出口。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种具有均匀流场效果的碱性电解槽双极板，以解决现有技术存在的问题，能够增强对流体流动的扰动程度，减小流道内各处的电解液浓度差，并有效改善流场均匀性。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供一种具有均匀流场效果的碱性电解槽双极板，包括双极板本体，双极板本体外设置有极板框6，极板框6上设置有氢气出口7、氧气出口9、至少一个碱液入口1和至少一个碱液出口8，氢气出口7和氧气出口9均设置为三组，连同碱液出口8一并设置于极板框6上侧，可以提高产气排放效率，将氢气出口7和氧气出口9设置于双极板两端，能够更加高效地分开氢气和氧气，提高气体纯度，碱液入口1设置于极板框6下侧，碱液入口1设置为跑道形结构，碱液入口1上设置有若干条碱液分散通道，碱液分散通道连接流动室，碱液分散通道的设置使得碱液能够更快的流入到中间极板3上进行电解，双极板本体中心位置处设置有中间极板3，中间极板3上呈线性均匀交错设置有多个凹单元4和多个凸单元5，凹单元4和凸单元5均呈水滴形或均呈椭圆形，极板框6和双极板本体之间形成流动室，碱液入口1和流动室之间通过导流通道相连通。

本发明提供一种具有均匀流场效果的碱性电解槽双极板，两个双极板本体上的凹凸单元以顶对顶的形式形成多点电接触，两个中间极板3内侧分别设有阳极电极和阴极电极，阳极电极和阴极电极之间设有隔膜，中间极板3与阳极电极以及中间极板3与阴极电极之间形成若干个碱液循环通道，电解液在进入碱液循环通道时经过凸单元5之间的弯曲间隙，有利于进一步增强流动的扰动程度，减小流道内各处的电解液浓度差，使电解液分布更均匀，从而降低电解设备的能耗。

凹单元4和凸单元5的长对称轴与碱液流动方向呈30～60°设置，优选为45°。

导流通道包括对称设置的两对导流槽2，导流槽2倾斜设置，两对导流槽2自靠近碱液入口1的一端向另一端延伸逐渐相互远离。

各导流槽2与碱液流动方向均呈30～60°设置，优选为45°，有助于碱液向双极板两边导流，使碱液流动更加均匀。

各导流槽2宽度均为5～60mm，高度为3～50mm，其中宽度优选为12mm，高度优选为7.5mm。

导流槽2包括两对槽口，一共设置有四个槽口，使碱液能够分散流入到中间极板3上进行电解，有利于更加充分充满电解液。

同一行任意相邻的两个凹单元4或同一行任意相邻的两个凸单元5之间中心间距为10～75mm，优选为15mm。

双极板本体呈圆形，双极板本体直径为200～2200mm，优选为440mm。

实施例一

本实施例提供的一种具有均匀流场效果的碱性电解槽双极板，在中间极板3本体上通过整体冲压形成交错分布的椭圆形凹凸单元，如图1所示，椭圆形的两端可以对碱液进行适当的分流和聚流，增强流场均匀性和稳定性，在碱液入口1处，凹单元4和凸单元5的长轴沿碱液流动方向逆时针45°方向排布，在碱液出口8处，凹单元4和凸单元5的长轴沿碱液流动方向顺时针45°方向排布，椭圆凸单元5长轴长度为12mm，短轴长度为8mm。

本实施例提供的一种具有均匀流场效果的碱性电解槽双极板，与传统结构(对比例1)不同的是：采用椭圆形凹凸单元，对比例1采用球形乳突结构；本实施例采用斜式导流槽2，对比例1采用直式导流槽。

图2为本实施例在x-y平面的流速情况，由图中可以看出，除了在碱液入口1处和碱液出口8处出现流速不均匀现象，在流场中间及大多数部位，流动性较好，未出现“死区”现象。

通过对本实施例和对比例1进行流量测试，具体测试方法包括：

引入流场均匀系数来定量对比不同截面上的流场均匀性，δ定义为：

其中：v_max和v_min分别表示当前截面流速的最大值和最小值，表示当前截面流速的平均值。δ表示流场均匀系数，δ越小，流场均匀性越好。

图3为本实施例和对比例1的δ对比，在碱液入口区均匀性较差，由入口至出口从9个采集点整体来看，本实施例的均值为2.612，对比例1的均值为3.610，本实施例相较于对比例1的均匀性提高了38.2％。

图4为本实施例和对比例1的流速图，由图中可以看出，在极板中心处(x＝0)，本实施例的流速最大值和最小值相差较小，而对比例1明显看出流速最大值与最小值相差较大，速度不稳定。可知，本实施例的流场均匀性明显好于对比例1。

综上，本实施例提供的具有椭圆形凹凸结构的碱性电解槽双极板，椭圆形凹凸单元和斜式导流槽有效改善双极板上的碱液浓度分布和速度分布的均匀性，使得液体流动更加顺畅，使双极板两端的“死区”现象得到极大地改善，从而提高了电解效率，适合推广应用。

实施例二

本实施例提供的一种具有均匀流场效果的碱性电解槽双极板，在中间极板3本体上通过整体冲压形成交错分布的水滴形凹凸单元，如图5所示，水滴形凹凸单元两端可以对碱液进行一定的分流，具有更好的导流效果，在碱液入口1处，凹单元4和凸单元5的对称轴沿碱液流动方向逆时针45°方向排布，在碱液出口8处，凹单元4和凸单元5的对称轴沿碱液流动方向顺时针45°方向排布，水滴形凸单元5凸起高度为7.5mm。

本实施例提供的具有水滴形凹凸结构的碱性电解槽双极板，与对比例1不同的是：采用水滴形凹凸单元，对比例1采用球形乳突结构；本实施例采用斜式导流槽2，对比例1采用直式导流槽。

图6为本实施例在x-y平面的流速情况，由图中可以看出，除了在碱液入口1处和碱液出口8处出现流速不均匀现象，在流场中间及大多数部位，流动性较好，未出现“死区”现象。

对本实施例和对比例1进行流量测试，具体测试方法包括：

引入流场均匀系数来定量对比不同截面上的流场均匀性，流场均匀系数δ定义为：

其中：v_max、v _min、v、分别表示当前界面的速度最大值、速度最小值、平均速度。由定义可以看出，δ越小表明流场分布越均匀。

图7为对比例1与本实施例的流场均匀系数对比，由入口至出口采集9个点进行计算，由图7可知，本实施例中的流场均匀系数明显小于对比例1的流场均匀系数，尤其是在碱液集中分布最严重的入口区域附近，将采集的9个点进行平均流场均匀系数计算，对比例1的平均流场均匀系数为8.02，本实施例的平均流场均匀系数为3.084，本实施例相较于对比例1均匀度提高了61.5％。

图8为对比例1与本实施例，在双极板中间位置(z＝0)，碱液流速沿x轴变化曲线，由图8可知，本实施例的流场均匀度明显好于对比例1。

综上，本实施例提供的具有水滴形凹凸结构的碱性电解槽双极板，通过水滴形凹凸单元优秀的导流能力，以及斜式导流槽对碱液分布均匀性的改善能力，可有效改善双极板上碱液浓度与速度分布不均匀的现象，避免了死区现象的出现，使得碱液流动更加通畅，降低了接触电阻，提高了电流密度的同时降低了电解能耗，适合推广使用。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种具有均匀流场效果的碱性电解槽双极板，包括双极板本体，所述双极板本体外设置有极板框，所述极板框上设置有氢气出口、氧气出口、至少一个碱液入口和至少一个碱液出口，所述双极板本体中心位置处设置有中间极板，其特征在于：所述中间极板上均匀交错设置有多个凹单元和多个凸单元，所述凹单元和所述凸单元均呈水滴形或均呈椭圆形，所述极板框和所述双极板本体之间形成流动室，所述碱液入口和所述流动室之间通过导流通道相连通。

2.根据权利要求1所述的一种具有均匀流场效果的碱性电解槽双极板，其特征在于：所述凹单元和所述凸单元的长对称轴与碱液流动方向呈30～60°设置。

3.根据权利要求1所述的一种具有均匀流场效果的碱性电解槽双极板，其特征在于：所述导流通道包括对称设置的两对导流槽，所述导流槽倾斜设置，两对所述导流槽自靠近所述碱液入口的一端向另一端延伸逐渐相互远离。

4.根据权利要求3所述的一种具有均匀流场效果的碱性电解槽双极板，其特征在于：各所述导流槽与碱液流动方向均呈30～60°设置。

5.根据权利要求3所述的一种具有均匀流场效果的碱性电解槽双极板，其特征在于：各所述导流槽宽度均为5～60mm，高度为3～50mm。

6.根据权利要求3所述的一种具有均匀流场效果的碱性电解槽双极板，其特征在于：所述导流槽包括两对槽口。

7.根据权利要求1所述的一种具有均匀流场效果的碱性电解槽双极板，其特征在于：同一行任意相邻的两个凹单元或同一行任意相邻的两个凸单元之间中心间距为10～75mm。

8.根据权利要求1所述的一种具有均匀流场效果的碱性电解槽双极板，其特征在于：所述双极板本体呈圆形，所述双极板本体直径为200～2200mm。